(57)【要約】  複数パケットを時空間において排他的に送受信して効率的にパケット通信を行えるようにしたシステムおよびその通信方法を提供する。  このシステムは、無線通信を行う複数のノード１００〜１９０を有し、各ノードは、ルーティング情報を格納し、ルーティング情報により決定された伝送経路上の転送元と転送先のノードに対し、送受信電波の位相を制御して指向性を持たせてパケットを送受信し、カットスルー伝送を行う。このシステムは、一定時間の間に、全てのノードが１以上の閉ループを形成するように送受信電波の位相を制御し、カットスルー伝送を行うことで、時刻同期調整とパケット通信履歴の送受信を行い、それ以外の時間に、時刻同期調整され、ノード間で共有されたパケット通信履歴を基に更新された各ノードのルーティング情報と、各ノードに割り当てられたパケットの送受信可能な時間枠とに従って、各ノードがパケットを送受信する。
2011065202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信を行う複数のノードを有し、パケットを宛先アドレスへ転送するパケット通信システムであって、
各前記ノードは、パケットの伝送経路を決定するためのルーティング情報を格納し、前記ルーティング情報を使用して決定された伝送経路上の転送元および転送先のノードに対し、送受信電波の位相を制御して指向性を持たせてパケットを送受信し、パケットに含まれる宛先アドレスを読み取ると該パケットの受信が完了する前に前記転送先のノードへ該パケットの転送を開始するカットスルー伝送を行う機能を有し、
前記パケット通信システムは、一定時間の間に、すべての前記ノードが１以上の閉ループを形成するように前記送受信電波の位相を制御し、前記カットスルー伝送を行うことにより、時刻同期調整およびパケット通信履歴の送受信を行い、該一定時間外において、前記時刻同期調整され、前記ノード間で情報共有された前記パケット通信履歴を基に更新された各前記ノードが有する前記ルーティング情報と、各前記ノードに対して割り当てられたパケットの送受信可能な時間枠とに従って、前記パケットを前記宛先アドレスへ転送する、パケット通信システム。
【請求項２】
前記ノードは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナと、各前記アンテナ素子の前記送受信電波の位相を制御する位相制御手段と、前記送受信電波にのせて前記パケットの送受信を行う送受信手段とを含み、
前記位相制御手段は、前記パケットに含まれる前記宛先アドレスを、前記転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換する、請求項１に記載のパケット通信システム。
【請求項３】
前記ノードは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナと、各前記アンテナ素子の前記送受信電波の位相を制御する位相制御手段と、前記送受信電波にのせて前記パケットの送受信を行う送受信手段とを含み、
前記位相制御手段は、前記パケットに含まれる前記宛先アドレスを読み取ると該パケットの受信が完了する前に、該宛先アドレスを、前記転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換する、請求項１に記載のパケット通信システム。
【請求項４】
前記時刻同期調整および前記パケット通信履歴の送受信を所定の時間間隔で行う、請求項１に記載のパケット通信システム。
【請求項５】
前記複数のノードの１つの開始要求を他の前記ノードに順次転送することにより、前記時刻同期調整および前記パケット通信履歴の送受信を開始する、請求項１に記載のパケット通信システム。
【請求項６】
前記パケット通信履歴は、前記ノード間の転送速度およびデータ転送量を含む、請求項１に記載のパケット通信システム。
【請求項７】
各前記ノードは、通信可能なノードのアドレス情報と、通信に使用されるチャネル情報とをさらに格納する、請求項１に記載のパケット通信システム。
【請求項８】
前記パケット通信システムは、前記無線通信を行う複数の無線ノードと、ケーブルにより互いに接続された複数の有線ノードとを有する、請求項１に記載のパケット通信システム。
【請求項９】
無線通信を行う複数のノードを有し、パケットを宛先アドレスへ転送するパケット通信システムにおいて行われる通信方法であって、
各前記ノードは、パケットの伝送経路を決定するためのルーティング情報を格納し、前記ルーティング情報を使用して決定された伝送経路上の転送元および転送先のノードに対し、送受信電波の位相を制御して指向性を持たせてパケットを送受信し、パケットに含まれる宛先アドレスを読み取ると該パケットの受信が完了する前に前記転送先のノードへ該パケットの転送を開始するカットスルー伝送を行う機能を有し、
前記通信方法は、一定時間の間に、すべての前記ノードが１以上の閉ループを形成するように前記送受信電波の位相を制御し、前記カットスルー伝送を行うことにより、時刻同期調整およびパケット通信履歴の送受信を行うステップと、
該一定時間外において、前記時刻同期調整され、前記ノード間で情報共有された前記パケット通信履歴を基に更新された各前記ノードが有する前記ルーティング情報と、各前記ノードに対して割り当てられたパケットの送受信可能な時間枠とに従って、前記パケットを前記宛先アドレスへ転送するステップとを含む、通信方法。
【請求項１０】
前記送受信を行うステップは、すべての前記ノードから前記パケット通信履歴を取得したかを判断するステップを含む、請求項９に記載の通信方法。
【請求項１１】
前記ノードは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナと、各前記アンテナ素子の前記送受信電波の位相を制御する位相制御手段と、前記送受信電波にのせて前記パケットの送受信を行う送受信手段とを含み、
前記送受信を行うステップは、前記位相制御手段が、前記パケットに含まれる前記宛先アドレスを、前記転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換するステップを含む、請求項９に記載の通信方法。
【請求項１２】
前記ノードは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナと、各前記アンテナ素子の前記送受信電波の位相を制御する位相制御手段と、前記送受信電波にのせて前記パケットの送受信を行う送受信手段とを含み、
前記送受信を行うステップは、前記位相制御手段が、前記パケットに含まれる前記宛先アドレスを読み取ると該パケットの受信が完了する前に、該宛先アドレスを、前記転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換するステップを含む、請求項９に記載の通信方法。
【請求項１３】
前記送受信を行うステップを所定の時間間隔で実行する、請求項９に記載の通信方法。
【請求項１４】
前記送受信を行うステップは、前記複数のノードの１つの開始要求を他の前記ノードに順次転送することにより、前記時刻同期調整および前記パケット通信履歴の送受信を開始するステップを含む、請求項９に記載の通信方法。
【請求項１５】
前記パケット通信履歴は、前記ノード間の転送速度およびデータ転送量を含む、請求項９に記載の通信方法。
【請求項１６】
各前記ノードは、通信可能なノードのアドレス情報と、通信に使用されるチャネル情報とをさらに格納する、請求項９に記載の通信方法。
【請求項１７】
パケットを宛先アドレスへ転送する通信方法を実行するための、無線通信を行う複数のノードを有するパケット通信システムにより読み取り可能なプログラムであって、
各前記ノードは、パケットの伝送経路を決定するためのルーティング情報を格納し、前記ルーティング情報を使用して決定された伝送経路上の転送元および転送先のノードに対し、送受信電波の位相を制御して指向性を持たせてパケットを送受信し、パケットに含まれる宛先アドレスを読み取ると該パケットの受信が完了する前に前記転送先のノードへ該パケットの転送を開始するカットスルー伝送を行う機能を有し、
前記プログラムは、
一定時間の間に、すべての前記ノードが１以上の閉ループを形成するように前記送受信電波の位相を制御し、前記カットスルー伝送を行うことにより、時刻同期調整およびパケット通信履歴の送受信を行うステップと、
該一定時間外において、前記時刻同期調整され、前記ノード間で情報共有された前記パケット通信履歴を基に更新された各前記ノードが有する前記ルーティング情報と、各前記ノードに対して割り当てられたパケットの送受信可能な時間枠とに従って、前記パケットを前記宛先アドレスへ転送するステップとを前記パケット通信システムに実行させる、プログラム。
【請求項１８】
前記送受信を行うステップにおいて、すべての前記ノードから前記パケット通信履歴を取得したかを判断するステップを実行させる、請求項１７に記載のプログラム。
【請求項１９】
前記ノードは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナと、各前記アンテナ素子の前記送受信電波の位相を制御する位相制御手段と、前記送受信電波にのせて前記パケットの送受信を行う送受信手段とを含み、
前記送受信を行うステップにおいて、前記位相制御手段が、前記パケットに含まれる前記宛先アドレスを、前記転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換するステップを実行させる、請求項１７に記載のプログラム。
【請求項２０】
前記ノードは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナと、各前記アンテナ素子の前記送受信電波の位相を制御する位相制御手段と、前記送受信電波にのせて前記パケットの送受信を行う送受信手段とを含み、
前記送受信を行うステップにおいて、前記位相制御手段が、前記パケットに含まれる前記宛先アドレスを読み取ると該パケットの受信が完了する前に、該宛先アドレスを、前記転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換するステップを実行させる、請求項１７に記載のプログラム。
【請求項２１】
前記送受信を行うステップを所定の時間間隔で実行する、請求項１７に記載のプログラム。
【請求項２２】
前記送受信を行うステップにおいて、前記複数のノードの１つの開始要求を他の前記ノードに順次転送することにより、前記時刻同期調整および前記パケット通信履歴の送受信を開始するステップを実行させる、請求項１７に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム・フォーミングを利用したパケット通信システムにおいて、複数パケットを時空間において排他的に送受信することができるシステム、その通信方法およびその方法を実行するためのパケット通信システムにより読み取り可能なプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波を利用した無線通信システムにおいて、ビーム・フォーミングが利用され始めている。ビーム・フォーミングは、基地局や端末との間での電波干渉を減少させ、より遠くまで電波を届けられるようにする技術である（例えば、特許文献１参照）。この技術を利用すると、電磁波のエネルギーを、指向性をもって伝搬させることができ、伝送距離、空間利用効率、電力効率等を向上させることが可能となる。【０００３】
このビーム・フォーミングは、ヌル・ステアリングと、ビーム・ステアリングという２つの技術を組み合わせることにより実現される。ヌル・ステアリングは、干渉を与えあう関係にある干渉局が存在する方向へは電波が飛ばないようにし、その方向からの電波を受信しないようにする技術で、ビーム・ステアリングは、基地局の電波を特定の方向に集中して送る技術である。【０００４】
上記のヌル・ステアリングでは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナを使用し、電波に指向性をもたせることで、他の基地局や端末が発する電波と干渉しないように電波を送り、また、受信することができる。また、上記のビーム・ステアリングでは、複数のアンテナ素子から送り出される信号の位相や電力を変えることで、電波を集中送出することができる。【０００５】
しかしながら、ビーム・フォーミングを利用して通信を行うシステムの場合、個々の送受信機間の同期やブロードキャストをどのように効率的に行うかが課題となっている。【０００６】
データのやりとりは、データ信号とクロック信号のタイミングを合わせることにより行われるが、そのデータをやりとりする送受信機が同じクロックで動作することが求められる。複数の送受信機を介して宛先アドレスへパケットを送信する場合、それらの送受信機すべてが同じクロックで動作することが求められる。なお、それらすべての送受信機を同じクロックで動作させるためには、それらの送受信機に同期信号を送り、それらの送受信機がその同期信号によりデータを読み取るクロック信号の同期をとることで実現される。同期信号の送信は、一般に、ブロードキャストにより効率的に行うことができるが、ビーム・フォーミングを利用した通信では、電波に指向性をもち、その電波が特定の送受信機にのみ送られることから、同期信号を効率的に送ることができない。【０００７】
また、各送受信機は、ブロードキャスト信号を不特定多数の送受信機へ送信し、それらの送受信機から応答を受信することにより通信可能な送受信機のアドレス情報、ルーティング情報、チャネル情報等を取得し、格納する。アドレス情報は、MACアドレスやIPアドレスを含み、ルーティング情報は、様々な宛先に対する最も良い経路を記録したルーティング・テーブルを含み、チャネル情報は、周波数帯域を含む。各送受信機は、このブロードキャスト信号を定期的に送信し、自機が保持していない情報を取得して格納された情報を更新することができる。しかしながら、ビーム・フォーミングを利用した通信では、上記と同様に、このブロードキャスト信号を効率的に送ることができない。【０００８】
そこで、マスタ・コントローラを用いてすべてのデバイスとの通信をスケジュールし、デバイス毎に同期信号やブロードキャスト信号を配信する方法がある（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この方法では、デバイス数が増加すると、そのデバイス数に比例してオーバー・ヘッドが大きくなってしまう。また、全てのデバイスがマスタ・コントローラと直接通信する必要があるため、デバイスの配置に制約が生じる。【０００９】
また、同期やブロードキャストを行う間、ビーム・フォーミングしないようにする方法もある。この方法では、電波が非指向性となるため、同期やブロードキャストを効率的に行うことができる。しかしながら、この方法では、信号の伝送距離が短くなり、ビーム・フォーミング技術の利用時と同等の伝送距離を確保しようとすると、データ・レートを低下させなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２００４−５１６７７１号公報
【特許文献２】特開２００８−６１２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ビーム・フォーミングを利用して通信を行うシステムにおいて、マスタ・コントローラを用いることなく、同期およびブロードキャストを効率的に行うことができ、複数のパケットの時空間における排他的な送受信を効率的に行うことができるシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑み、予め指定されたルーティングに従って閉ループを形成するように各送受信機であるノードが送信すべき電波の向きを指定する位相を制御し、かつ各ノードがパケットの受信が終了する前にルーティングにより決定された送信先へ送信するカットスルー伝送を行うことにより、一定時間の間に、時刻同期調整とパケット通信履歴の送受信とを行い、それ以外の時間において、時刻同期調整され、各ノードに情報共有されたパケット通信履歴に従ってルーティング情報を更新し、各ノードに対しパケットの送受信可能な時間枠を割り当てた後、割り当てられた時間枠（スロット）と、更新されたルーティング情報とに基づき、送信パケットの伝送経路を決定し、その伝送経路上にある各ノードを順に所定のタイミングで送信パケットを転送するようにシステム構成する。【００１３】
このように、閉ループを形成し、カットスルー伝送を行うことにより、すべてのノードが効率的に時刻同期調整を行い、パケット通信履歴を効率的にそれぞれが取得することができる。【００１４】
ノードは、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナと、各アンテナ素子の送受信電波の位相を制御する位相制御手段と、送受信電波にのせてパケットの送受信を行う送受信手段とを含んで構成される。位相制御手段は、パケットに含まれる宛先アドレスを、転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換し、これにより、特定のノードへ向けて電波を送信することが可能となる。  【００１５】
また、位相制御手段は、パケットに含まれる宛先アドレスを読み取ると、そのパケットの受信が完了する前に、宛先アドレスを、転送先のノードが備える送信側の個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換する。【００１６】
時刻同期調整およびパケット通信履歴の送受信は、所定の時間間隔で行うことができるが、少なくとも１つのノードがビジーである場合、この同期調整および送受信処理を行うことが困難である場合があることから、異なる時間間隔で行うことも可能である。【００１７】
時刻同期調整およびパケット通信履歴の送受信は、複数のノードの１つの開始要求を他のノードに順次転送することによって開始することができる。【００１８】
パケット通信履歴は、ノード間の転送速度、データ転送量を含む。また、各ノードは、ルーティング情報のほか、通信可能なノードのアドレス情報と、通信に使用されるチャネル情報とをさらに格納する。【００１９】
パケット通信システムは、上述した無線通信を行う複数の無線ノードのほか、ケーブルにより互いに接続された複数の有線ノードを有して構成されていてもよい。この場合、アドレス情報、ルーティング情報、チャネル情報を一体的に管理することにより、システム全体の最適化を図ることができる。【００２０】
本発明では、上述したパケット通信システムのほかに、そのシステムにおいて行われる通信方法も提供できる。この方法は、一定時間の間に、すべてのノードが１以上のループ状の伝送経路を形成するように送受信電波の位相を制御し、カットスルー伝送を行うことにより、時刻同期調整およびパケット通信履歴の送受信を行うステップと、その一定時間以外の時間において、時刻同期調整され、ノード間で情報共有されたパケット通信履歴を基に更新された各ノードが有するルーティング情報と、各ノードに対して割り当てられたパケットの送受信可能な時間枠とに従って、パケットを宛先アドレスへ転送するステップとを含む。【００２１】
また、その通信方法を実行するためのパケット通信システムにより読み取り可能なプログラムも提供することができる。このプログラムは、パケット通信システムが備える複数のノードにより実行することができる。【００２２】
これらのシステム、方法およびプログラムを提供することにより、ビーム・フォーミングを利用して通信を行うシステムにおいても、複数パケットの時空間における排他的な送受信を効率的に行うことができる。また、電波が干渉することなく効率良くパケットを伝送することができることから、ケーブルとの置き換えが容易で、システム全体の最適化を図ることができる。さらに、ケーブルやハブが不要となる結果、サーバ設置コストを削減でき、指向性をもって通信が行われるため、セキュリティを向上させることができ、パケット伝送時間も短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】複数のノードから構成されるパケット通信システムの構成例を示した図。
【図２】ノードが備える複数のアンテナ素子から構成されるアンテナの一例を示した図。
【図３】パケット通信システムにおいて閉ループを形成したところを示した図。
【図４】時刻同期調整およびブロードキャストを行っているところを例示した図。
【図５】時刻同期調整およびブロードキャストを行っているところを例示した図。
【図６】時刻同期調整およびブロードキャストを行っているところを例示した図。
【図７】時刻同期調整およびブロードキャストの流れを示したフローチャート図。
【図８】互いに通信を行う複数のノードの配置を例示した図。
【図９】ノード間のデータ転送速度を記録したスループット・テーブルを例示した図。
【図１０】パケット通信履歴から予測されるノード間のデータ転送量を記録したデマンド・テーブルを例示した図。
【図１１】図９に示すスループット・テーブルおよび図１０に示すデマンド・テーブルに基づき生成したルーティング・テーブルを例示した図。
【図１２】割り当てテーブルを例示した図。
【図１３】パケット転送処理の流れを示したフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を図面に示した具体的な実施の形態に沿って説明するが、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではない。図１は、本発明のパケット通信システムの構成を例示した図である。このパケット通信システムは、ノード１００〜１９０として参照される複数の無線送受信機から構成され、各ノード１００〜１９０は、一定の規則で並べられた複数のアンテナ素子から構成されるアンテナ２００と、各アンテナ素子の送受信電波の向きを指定する電波の位相を制御可能な、位相制御手段としてのRF送受信回路２１０と、パケットの送受信等の処理を行う、送受信手段としてのベース・バンド・デジタル制御回路２２０とを含んで構成されている。
【００２５】
ノード１００〜１９０は、互いに離間して設置され、電波を利用して互いにパケット通信を行うことができるようにされている。アンテナ２００は、電気エネルギーを電波として送信し、空間の電波を受信して電気エネルギーへ変換する機器で、簡単な例としては、複数の棒状のアンテナ素子が一定の規則で並べられたものとされている。
【００２６】
例えば、図２に示すように、アンテナ２００は、棒状のアンテナ素子２０１が、その長さ方向に２本並べられ、その全体長さＬが電波のおよそ半波長とされたものを一定間隔、例えば１／４波長〜１波長程度の間隔Ｗで配列した構成とすることができる。アンテナ素子２０１にはそれぞれ、給電線２０２が接続され、給電線２０２を介して電力の伝送を行うことができる。
【００２７】
再び図１を参照して、RF送受信回路２１０は、給電線２０２と接続され、各アンテナ素子２０１により送受信される電波の向きを指定する位相を制御する。詳細には、RF送受信回路２１０は、アンテナ２００が複数のアンテナ素子２０１により構成されることから、パケットに含まれる宛先アドレスを、転送先のノードが備える個々のアンテナ素子２０１に与えるべき電波の位相差として変換する。電波の位相を制御して特定の方向に電波を送信することができるが、アンテナ２００は複数のアンテナ素子２０１から構成され、各アンテナ素子２０１が設置される位置は異なるため、アンテナ素子２０１の各々が適切に受信できるように、個々のアンテナ素子２０１に与えるべき電波の方向を特定方向に対する位相差として変換する。このような位相制御により、電波に指向性を与えて、特定の方向に向けて電波を送信することができ、ビーム・フォーミングを実現することができる。
【００２８】
ベース・バンド・デジタル制御回路２２０は、パケットの送受信等を処理し、MAC(Media Access Control)層およびPHY(Physical layer)層の機能を実現するLSI(Large-Scale Integration)とすることができ、DAC(Digital-Analog Converter)、ADC（Analog-Digital Converter）、CPU、SRAM(Static RAM)等を搭載したものを用いることができる。
【００２９】
ベース・バンド・デジタル制御回路２２０は、図示しないホストCPUと接続され、ホストCPUとの間で送受信データのやりとりを行う。ベース・バンド・デジタル制御回路２２０は、PAD(Packet Assembly/Disassembly)を実装し、ホストCPUから受信したデータをパケットに変換し、SRAM等の記憶装置に記憶し、中継伝送路の空いている時間に送り出し、また、受信したパケットを記憶装置に記憶し、記憶したパケットからデータに変換してホストCPUに送信することができる。なお、ホストCPUは、送信先のアドレス設定を行い、データをベース・バンド・デジタル制御回路２２０へ送るなどの処理を行う。
【００３０】
図１に示すように、各ノード１００〜１９０が互いに離間して配置され、例えば簡単には、向かって上側にあるノード１００〜１４０を送信機として機能させると、下側にあるノード１５０〜１９０は受信機として機能することになり、ノード・ペアが形成される。また、それぞれのノード１００〜１９０が送信アンテナ・受信アンテナを持つことにより、各ノードに送受信を同時に行わせることも可能である。
【００３１】
一般に、電波の送受信が少ない非混雑時には、電波によって運ばれるパケットの衝突は起こりにくく、その衝突による性能劣化の影響は少ないが、パケット数の増大に伴って衝突回避を行うことが重要になる。ここで、衝突とは、２つ以上のノードが１つのノードに対し、同時にパケットの送信を開始した場合に生じるものである。この衝突が生じると、２つ以上のパケットが重なり合い、パケットの読み出しが不能となる。電波の送受信が多い混雑時には、この衝突の確率が増大し、システム性能が大きく低下してしまう。
【００３２】
しかしながら、本発明のパケット通信システムは、時空間排他制御、すなわち時間的かつ空間的に排他的な通信を可能にすることで、衝突を回避し、効率的な通信を行う。その具体的な制御について、以下に詳細に説明する。
【００３３】
ノード間では、パケットをやりとりすることにより通信を行う。パケットは、宛先アドレスを含み、ベース・バンド・デジタル制御回路２２０がその宛先アドレスへ向けてパケットを送信すると、パケットの伝送経路を決定するためのルーティング情報としてのルーティング・テーブルを参照し、どのノードを介してその宛先へ送るかを決定し、その最初のノードへ向けてRF送受信回路２１０がアンテナ２００に与える位相を制御し、電波によりそのパケットを送信する。この電波は、指向性をもつように制御されるため、空間的に排他な通信を可能にする。なお、ルーティング・テーブルは、各ノード１００〜１９０がそれぞれ保持し、SRAM等の記憶装置に記憶される。
【００３４】
その最初のノードがパケットを受信すると、そのノードは、宛先アドレスを読み出し、ルーティング・テーブルを参照し、次のノードがどれかを決定し、そのノードへパケットを転送する。このため、各ノード１００〜１９０は、通信可能なノードのアドレス情報と通信で使用されるチャネル情報を保持し、そのアドレス情報およびチャネル情報を使用して転送を行う。このようにしてルーティング・テーブルを参照し、パケットの転送を行うことで、その宛先へパケットを送ることができる。
【００３５】
２つのノードが同時にパケットを受信し、同じノードへそのパケットを送信すると、上記の衝突が起こる。このため、ノード間の転送速度やこれまでのデータ転送量等のパケット通信履歴を他のノードへ送り、他のノードからパケット通信履歴を取得して情報共有を行い、その通信履歴から予測して衝突が起こらないようにルーティングし、送信タイミングをずらす調整を行う必要がある。
【００３６】
パケットの送信タイミングを調整するためには、各ノードの時刻同期調整を行う必要がある。したがって、各ノードは、同期信号および情報共有を行うためのブロードキャスト信号を他のノードへ送り、時刻同期調整を行うとともに他のノードから情報取得を行う。  
【００３７】
ビーム・フォーミングを利用した通信では、電波に指向性を持たせるため、同じ電力でも伝送距離を長くすることができ、その他の空間は他の電波を送信することができるため、空間利用効率を向上させることができ、小さい電力でも通信可能となるため、電力効率も向上させることができる。しかしながら、個々のノード間の時刻同期調整および情報共有を行うには、各ノードが電波の向きを変えて他のノードへ送信しなければならず、これでは効率が悪く、この時刻同期調整および情報共有を行うのに時間がかかる。
【００３８】
そこで、本発明では、一定時間の間に、ノード１００〜１９０すべてが電波の位相を制御して閉ループ（閉じた伝送経路）を形成し、カットスルー伝送を利用して時刻同期調整および情報共有を効率的に行う。上記の一定時間は、時刻同期調整および情報共有を行い、ルーティング・テーブルを更新し、後述する割り当てテーブルを作成することができる期間として測定し、その測定時間を一定時間として設定することができる。
【００３９】
閉ループは、各ノード１００〜１９０が、送信すべき電波の向きを指定する位相を制御することにより実現することができる。具体的には、各ノードがそれぞれ送受信アンテナを持つ構成を仮定して、図３の矢線で示すように、ノード１００、１５０、１１０、１７０、１３０、１９０、１４０、１８０、１２０、１６０、１００の順に電波を送信するように、例えばノード１００であれば、位相を制御してノード１５０へ向けて電波を送信し、位相を制御してノード１６０から電波を受信することで閉ループを形成する。この閉ループは、予め設定された閉ループ・ルーティング情報に従って形成することができる。
【００４０】
同期信号やブロードキャスト信号は、パケットとして送信することができる。パケットは、小さなデータに分割された情報の一部に、宛先アドレス、送信元アドレス、パケットの種類や長さ等の制御情報を付加したものである。
【００４１】
より詳細には、パケットは、先頭部分に、通信の開始を知らせるためにデータの送付に先立って送られるビット列からなるプリアンブルがあり、パケットの開始を示すSOF、宛先アドレス、送信元アドレス、パケットの種類や長さ等が続き、それにデータが続く。一般に、ノードは、パケットの受信を開始すると、パケットの送受信を処理するベース・バンド・デジタル制御回路２２０へ送られ、データを受信し終えるまで、ルーティングにより決定された次のノードへは送らない。これでは宛先アドレスへパケットを送信するのに時間がかかってしまう。
【００４２】
そこで、本発明では、各ノードは、データを受信し終える前に、パケットに含まれる宛先アドレスに基づきルーティングを行い、そのルーティングにより決定された次のノードへ、受信してバッファに蓄積されたデータを先頭から順に転送するカットスルー伝送を行う。このカットスルー伝送を行うことにより、効率的に時刻同期調整および情報共有を行うことが可能となる。このため、RF送受信回路２１０では、パケットに含まれる宛先アドレスを読み取ると、そのパケットの受信が完了する前に、宛先アドレスを、転送先のノードが備える個々のアンテナ素子に与えるべき電波の位相差として変換する。
【００４３】
図１および３とはシステム構成が異なるが、図４〜図６に示す６つのノードからなるシステム構成図および図７に示すフローチャートを参照し、時刻同期調整および情報共有を効率的に行う方法について詳細に説明する。図４〜図６では、理解しやすいように、６つのノード１００〜１５０が、正六角形を形成するように配置され、例えばノード１００は、ノード１１０へパケットを送信し、ノード１５０からパケットを受信することができるように位相を制御し、電波を送受信している。
【００４４】
例えば、所定の時間間隔で、いずれかのノードが、プリアンブル、SOF、宛先アドレス、送信元アドレス、パケットの種類、長さ、データ等を含むパケットを送信して、時刻同期調整および情報共有するためにブロードキャストを行い、時刻同期調整および情報共有を開始する。パケットの宛先アドレスは、すべてのノードへデータを送信するためにブロードキャスト・アドレスが用いられる。なお、この時刻同期調整および情報共有は、所定の時間間隔で実行する場合に限られるものではなく、あるノードがビジーである場合、この処理を実行することは難しいことから、異なる時間間隔で実行することも可能である。  
【００４５】
例えば、ノード１００が、前回に時刻同期調整および情報共有を開始した時刻から所定時間が経過したかを判断し、経過したことを検知すると、電波の位相を制御して予めルーティングにより決定されたノード１１０へ上記のパケットを送ることにより、時刻同期調整および情報共有を開始する。ノード１１０は、そのパケットを受信する際、プリアンブルを利用して同期をとり、SOFによりパケットの開始を検知し、宛先がブロードキャスト・アドレスであり、パケットの種類等から、時刻同期調整および情報共有を行うことを知る。このため、ノード１１０は、ノード１１０が保持する情報をデータとし、宛先アドレスにブロードキャスト・アドレスを用いてパケットを生成し、予めルーティングにより決定されたノード１２０に向けて電波の位相を制御してそのパケットを送信する。その際、ノード１１０では、カットスルー伝送を行い、ノード１００からパケットをすべて受信する前にノード１２０へパケットを送信する。
【００４６】
このようにして、各ノード１００〜１５０は、特定の送信先に向けて電波の位相を制御し、図４に示すように、プリアンブル、SOF、宛先アドレス、送信元アドレス、パケットの種類、長さ、データとしてパケット通信履歴を含むパケットを送り、特定の送信元からの電波を受信する。なお、図４〜図６では、プリアンブル、SOF、データのみを示している。各ノード１００〜１５０は、プリアンブルを利用して同期をとり、特定の送信元からパケットを受信し、そのパケットに含まれる送信元のノードから取得したデータを自ノードのデータに加えて、送信先のノードへ送信するためのパケットを生成する。
【００４７】
図５に示すパケットは、次に送信するパケットで、例えば、ノード１００がノード１１０へ送信するパケットには、ノード１００のデータ１に加えて、ノード１５０から取得したデータ６が追加される。このようにして取得したデータを追加してパケットを作成し、これを送信するという処理を繰り返すことで、すべてのノード１００〜１５０の間で時刻同期調整を行うことができ、また、図６に示すような、すべてのノード１００〜１５０のデータ１〜６を各ノード１００〜１５０が取得することができる。
【００４８】
すなわち、この処理は、図７に示すように、ステップ７００から開始すると、ステップ７０５で、いずれか予め決められたノード、例えばノード１００が自ノードのパケット通信履歴をデータとして含み、宛先アドレスをブロードキャスト・アドレスとしてパケットを生成し、電波の位相を制御して予めルーティングにより決定されたノード１１０へ向けてそのパケットを送り、時刻同期調整および情報共有を開始する。次に、ステップ７１０で、ルーティングにより決定されたノード１１０からノード１２０へ、ノード１２０からノード１３０へと順に、特定のノードと通信を行うように電波の位相を制御し、プリアンブル、SOF、宛先アドレス、送信元アドレス、パケットの種類、長さ、データとしてパケット通信履歴を含むパケットを送り、特定の送信元からの電波を受信し、閉ループを形成する。
【００４９】
また、さらに効率的な方式として、ステップ７００の開始後、例えばノード１１０は、前段のノード１００からパケットを受信するより前に、予め閉ループのルーティングで定義された次段のノード１２０に自ノード１１０の保持している情報の送信を開始し、前段のノード１００からデータを受信した時点で、次段のノード１２０に送信中のパケットの後ろにプリアンブル無しで前段のノード１００から受信したパケットのデータを付加してより効率的なカットスルー転送する方法もある。このような方式を採用することにより、全ノードで同時に送信を開始できるため、プリアンブル同期の時間と閉ループ内の全ノードでの情報共有にかかる時間を短縮することができる。
【００５０】
ステップ７１５で、各ノード１００〜１５０は、自ノードの情報に送信元から取得した情報を追加してパケットを生成し、送信先のノードへそれぞれ送信する。ステップ７２０で、時刻同期調整および情報共有を開始したノード１００が、すべてのノード１１０〜１５０から情報を得たかを判断し、得られていない場合、ステップ７１５へ戻る。一方、得られた場合は、ステップ７２５へ進み、この時刻同期調整および情報共有を終了する。
【００５１】
その後、ノード１００は、ノード１００が保持するルーティング・テーブルを、取得したデータに基づき更新し、このルーティング・テーブルをノード１１０〜１５０へ送り、ノード１１０〜１５０はそれぞれ、自ノードが保持するルーティング・テーブルを更新することができる。
【００５２】
ルーティング・テーブルは、小規模ネットワークでは手動で静的に構成することができるが、一般のネットワークではルーティング・プロトコルと経路決定アルゴリズムとを用いて動的に構成される。ルーティング・プロトコルは、ブロードキャストを行い、各ノードからパケット通信履歴を各ノードの情報として取得するために使用される。ルーティング・テーブルは、この取得した情報を基に作成され、その際に、経路決定アルゴリズムが用いられる。経路決定アルゴリズムは、これまでに知られた距離ベクトルアルゴリズム（DVA）、リンク状態アルゴリズム（LSA）、Simplex法等を用いることができる。
【００５３】
DVAでは、各ノード間にコストと呼ばれる数値が割り振られる。最初の段階では、各ノードは、直近のノードがどれかという情報と、そのノードとの間のコストのみが既知とされる。その後、定期的にノード間でやりとりを行うことで、他のノード間の情報も収集され、これをルーティング・テーブルとして構成する。隣のノードから渡されたデータに、自分が保持しているルーティング・テーブルにないノードへの情報が含まれ、それが同じ宛先へ到達するのにコストが少ない場合、その情報を用いてテーブルを更新する。
【００５４】
LSAでは、すべてのノードが、自分が接続しているノードをブロードキャストし、各ノードはそのデータを基にマップを生成し、生成したマップを基に他のノードの最短経路を決定し、ネットワーク全体を木構造で表現する。未登録のノードはこの木構造に追加されるが、それは最も少ないコストで到達できるように追加される。このようにして作成された木構造を基に、ルーティング・テーブルを生成する。
【００５５】
ルーティングは、線形計画問題として定式化することもできる。与えられた線形計画問題は、Simplex法により比較的少ない計算量で最適解を得られる。定式化に際しては、入力としてノード間の直接転送速度と予想データ転送量を、目的関数として各通信経路の利用率の上限の最小化を、制約条件としてデータの始点・終点・中継ノードにおけるデータ転送量の総計が与えられた入力と一致すること、各通信経路の利用率が上限以下であることを与える。
【００５６】
なお、コストは、転送速度、データ転送量、遅延、ホップ数、経路のコスト、負荷、MTU、信頼性、通信コスト等から求められる。
【００５７】
この時刻同期調整および情報共有は、パケットを次のノードへ転送するために、カットスルー伝送が行われ、効率的に処理が行われる。このようにして時刻同期調整およびブロードキャストを行い、ルーティング・テーブルの更新が行われた後、任意の送信パケットの送受信が行われる。
【００５８】
任意の送信パケットは、宛先アドレスと更新されたルーティング・テーブルとに基づきルーティングされ、そのルーティングにより決定されたノードを介して宛先アドレスへ送信される。
【００５９】
その際、各ノードが、衝突を起こさないために、任意の送信パケットを転送するタイミングが重要である。そこで、帯域を利用する時間をスロットと呼ばれる時間枠に等分割し、スロット毎に各ノードに通信機会を割り当てる。そして、スロットをフレームと呼ばれる周期にまとめ、すべてのノードが周期的にパケットを送信するように割り当てテーブルを構成する。このテーブルは、各ノードから取得した情報に基づき作成され、この割り当てテーブルを用いてタイミングをとることができる。
【００６０】
利用率が一定以下であると推定されるスロットに関しては、衝突が生じる可能性が低いので、特定のノードへの通信機会の割り当てを行わず、衝突を許容することも可能である。通信機会の割り当てがないスロットには、任意のノードが随時使用できるため、スロットが利用できるまでの待ち時間を短縮することが可能になる一方、衝突によるスループットの低下が生じる。衝突をどの程度まで許容するかについては、待ち時間とスループット間のトレードオフを考慮して、決定する必要がある。
【００６１】
図８は、図４〜図６に示すシステムと同様に、６つのノードからなるシステムを例示し、各ノードは、指向性をもつことで、特定のノードとの間で通信可能とされる。ノードＡは、ノードＢ、Ｆと通信可能で、ノードＢは、ノードＡ、Ｃ、Ｅと通信可能で、ノードＣは、ノードＢ、Ｄ、Ｆと通信可能で、ノードＤは、ノードＣ、Ｅと通信可能で、ノードＥは、ノードＢ、Ｄ、Ｆと通信可能で、ノードＦは、ノードＡ、Ｃ、Ｅと通信可能とされている。
【００６２】
この指向性は、図９に示すノード間の転送速度を表したスループット・テーブルにより決定される。このスループット・テーブルは、各ノードＡ〜Ｆを設置した際に行われる通信テストにおいて得られた転送速度を入力することにより作成される。「Sender」が送信側、「Receiver」が受信側を示す。図９では、通信可能とされたノード間の転送速度がいずれも「100」とされている。このスループット・テーブルに入力された転送速度の各設定値は、実際の通信における転送速度を測定し、適宜変更することができる。各ノードＡ〜Ｆは、同じ内容のスループット・テーブルをもつことができ、いずれかのノードにおいてスループット・テーブルを変更した場合、その変更を情報共有のために他のノードへ伝えることができる。
【００６３】
各ノードＡ〜Ｆは、定期的にノード間のデータ転送量を測定し、そのデータ転送量を履歴の１つとして記録する。記録された履歴は、上記の情報共有時に送信され、すべてのノードに情報共有される。例えば、ルーティング・テーブルを更新するノードは、このデータ転送量の測定値等から、図１０に示すようなデマンド・テーブルを作成する。なお、図１０に示す「Source」は発信元、「Destination」は宛先を示す。
【００６４】
デマンド・テーブルは、直前の測定値等から予測したデータ転送量を設定値としてもち、上記のスループット・テーブルとともに、ルーティング・テーブルの作成、割り当てテーブルの作成のために使用される。
【００６５】
図１１は、図９および図１０に示すテーブルを用いて作成したルーティング・テーブルの一例を示した図である。例えば、図８に示すノードＡを送信元とし、ノードＢを宛先とするパケット通信では、他のノードを介することなく直接パケットを送信することができるので、ノードＢが宛先として設定される。このように直接パケットの送受信することができるノード間においては、互いのノードが宛先として設定される。
【００６６】
一方、ノードＡを送信元とし、ノードＣを宛先とするパケット通信では、ノードＢまたはノードＦを介さなければパケットを送信することができないので、図９および図１０に示すテーブルの情報および上述したすでに知られたアルゴリズムにより最適化し、宛先が決定される。
【００６７】
上記の例では、最適化した結果、ノードＢを介してパケットを送信するほうが効率的であることから、送信元ノードＡから宛先ノードＣへパケットを送信する場合、まず、ノードＡはノードＢへ送り、それから、ノードＢがノードＣへ送るようにルーティングされる。
【００６８】
図１２は、割り当てテーブルの一例を示した図である。図１２では、スロット０〜７までの８つの時区間に等分割され、スロット１、２において、受信側ノードＡは、ノードＢからパケットを受け付けることができ、スロット０〜３において、受信側ノードＣは、ノードＢからパケットを受け付けることができるようにされている。
【００６９】
このように時間的にも衝突が起こらないようにすることで、時空間において排他的なパケット送受信を実現することができる。
【００７０】
本発明のパケット通信システムにおける処理の流れを、図１３を参照してまとめると、以下のようになる。ステップ１３００から処理を開始し、ステップ１３０５において、前回に時刻同期調整および情報共有を開始してから所定時間が経過したかを判断し、経過していない場合、再びある時間経過後、ステップ１３０５の判断を行う。
【００７１】
一方、所定時間が経過したと判断した場合、ステップ１３１０へ進み、図７に示す時刻同期調整および情報共有を行う。次に、ステップ１３１５へ進み、予め決められた１つのノードが、情報共有により取得した上記の転送速度やデータ転送量を含むパケット通信履歴に基づき、ルーティング・テーブルを更新し、パケットを送受信可能なスロットを割り当てることにより割り当てテーブルを作成する。
【００７２】
ステップ１３２０で、そのルーティング・テーブルおよび割り当てテーブルを他のすべてのノードへ送信し、そのルーティング・テーブルおよび割り当てテーブルを共有する。  
【００７３】
その後、ステップ１３２５で、一定時間が経過したかを判断し、経過していない場合は、ステップ１３３０へ進み、送信パケットの転送を保留し、一定時間が経過した後、ステップ１３３５へ進み、任意のノードに送信パケットがある場合、更新されたルーティング・テーブルを用い、割り当てテーブルで指定されたスロットにおいて、その送信パケットの宛先アドレスへ向けて転送し、ステップ１３４０でその処理を終了する。
【００７４】
任意のノードは、送信パケットから宛先アドレスを読み取り、ルーティング・テーブルに基づきルーティングを行い、送信先のノードを決定し、その送信先のノードに向けて電波の位相を制御して、送信可能な時間枠になったところで送信する。送信先のノードも同様の処理を行い、これを繰り返して宛先アドレスへそのパケットを転送する。
【００７５】
本発明のシステムは、ノードを制御し、通信経路を動的に構築することができることから、縦方向に並行した複数の通信路と横方向に並行した複数の通信路の交点にスイッチを設けた構造のクロスバー・スイッチとして提供することができ、ミリ波無線のサーバ・システム等へ適用し、ハブレスやケーブルレスのコンピューティング環境を実現することができる。このため、サーバ設置コストを削減することができ、瞬時ダウンロードも可能となる。
【００７６】
本発明のパケット通信システムは、無線通信を行う複数の無線ノードのみから構成されたものに限らず、それら複数の無線ノードと、ケーブルにより互いに接続された複数の有線ノードとを組み合わせたものとすることも可能である。有線ノード間においては、電波の位相を制御する必要はなく、送信先アドレスを特定することで目的のノードへ送信することができる。各ノードが、通信可能なノードのアドレス情報、通信に使用されるチャネル情報を保持し、ルーティング情報を適宜更新して一体的に管理することで、システム全体の最適化を図ることができる。
【００７７】
これまで、本発明のパケット通信システムおよびその通信方法について、図面を参照して詳細に説明してきたが、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。したがって、上記では、ルーティング情報の更新のみについて説明したが、ノードの移動等によりアドレスやチャネルが変更される場合、アドレス情報やチャネル情報を更新することも可能である。
【００７８】
また、ノードの配置や数を考慮し、１つの閉ループに限らず、複数の閉ループを形成して時刻同期調整および情報共有を行うこともでき、この場合、各閉ループを形成したノード間のパケット通信の効率を向上させ、システム全体として効率的にパケット通信を行うができるようにすることができる。
【００７９】
さらに、通信方法は、パケット通信システムにより読み取り可能なプログラムにより実現することができ、本発明では、このプログラムを提供することも可能である。なお、プログラムは、CD-ROM、DVD-ROM、SDカード、HDD等の記録媒体に格納して提供することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１００〜１９０…ノード、２００…アンテナ、２０１…アンテナ素子、２０２…給電線、２１０…RF送受信回路、２２０…ベース・バンド・デジタル制御回路
【図１】
2011065202.tif 000003
【図２】
2011065202.tif 000004
【図３】
2011065202.tif 000005
【図４】
2011065202.tif 000006
【図５】
2011065202.tif 000007
【図６】
2011065202.tif 000008
【図７】
2011065202.tif 000009
【図８】
2011065202.tif 000010
【図９】
2011065202.tif 000011
【図１０】
2011065202.tif 000012
【図１１】
2011065202.tif 000013
【図１２】
2011065202.tif 000014
【図１３】
2011065202.tif 000015
【国際調査報告】
2011065202.tif 000016
2011065202.tif 000017